某光测设备上消像旋的设计

　　0 引 言

　　采用地平式机架的光电成像跟踪测量设备在对恒星目标进行观测时会因为物像空间的旋转引起像旋问题，在单帧数字图像中目标被圆弧线所覆盖，在多帧序列图像中目标位置发生变化，无法准确稳定地提取目标，故这类设备一般都使用了消像旋技术来克服上述问题。消像旋技术目前主要有光学消像旋、物理消像旋、电子消像旋、数字消像旋等。光学消像旋是在成像器件之前沿光轴方向安装消旋棱镜，物理消像旋是直接控制成像器件按其轴线旋转，这两种方法在像旋产生的同时对其直接抵消，但结构设计装调相对复杂。电子消像旋是利用硬件处理将数字图像旋转，数字消像旋是利用软件算法将数字图像旋转，二者都采用算法处理，存在时间延迟、图像精度降低、信噪比下降、显示视场变小等问题。由于某光测设备担负目标跟踪测量任务，消像旋单元安装在主镜筒头部，便于装调，故采用了使相机旋转的物理消像旋方案。

　　1 像旋简析

　　地平式光测设备产生像旋的原因是由于机架各旋转轴与地球自转轴不平行。为便于分析，先建立像旋计算模型，建立天体的赤道坐标与光测设备的地平坐标之间的变换关系。按图 1 所示天文三角形包含了赤道坐标与地平坐标，假定设备跟踪视场中的 C 星运动，则 C 位于设备相机的靶面中心保持不动，在跟踪过程中，转轴不平行导致视场中的 B 星会围绕 C 星旋转，旋转的速度用两星夹角 β 的变化率来描述。图1 中，H 是 C 星的时角，与赤经有固定关系;δ 是 C 星的赤纬;φ 是观测点的地理纬度;A 是 C 星的方位角;z 是天顶距，从正天顶起算，范围是 0°~90°。符号规定为，从正北起算，向东为正，向西为负，范围为 0°~360°。根据球面三角的余弦公式、正弦公式和五元素公式，在球面三角形 CPZ 中可得：

　　2 消像旋设计

　　2.1 消像旋单元的结构

　　本设备采用了 CCD 相机旋转消像旋的设计方法。消像旋单元的旋转轴与视轴重合，CCD 相机安装在消像旋单元的支架上，旋转轴垂直穿过相机靶面中心，图2 为结构示意图。

　　消像旋结构支架为圆环形，CCD 相机安装在圆环中部，圆环外沿为传动齿轮，用步进电机带动涡轮蜗杆驱动齿轮组，使其支架和相机在轴承上旋转。圆环支架外沿还安装有用于测角的金属圆光栅系统，行程两端设置了光电限位开关进行限位保护。消像旋单元在设备上安装完毕后，在不同高度角下对关键指标进行了测试，从中提取出平均偏离值最大的一组列于表 1。消像旋单元的三维结构和实物图见图3。